何艳艳，王 英，周 海

（华中科技大学 光学与电子信息学院，湖北 武汉 430074）

门禁系统，又称为出入管理控制系统，是建筑系统的重要组成部分[1]。随着科学技术的不断发展，现在的门禁系统早已超越了单纯的门道及钥匙的作用，已经发展成为一套完整的出入管理系统，在工作环境安全、人事考勤等行政管理工作中发挥着重要的作用[2]。门禁系统已是解决重要部门出入口、实现安全防范管理的有效措施[3-4]，适用于各种机要部门，如银行、军械库、机要室等，也普遍用于办公间、宾馆、停车场、机房、智能化小区、工厂等。作为新型现代化安全管理系统，门禁系统集微机自动识别技术和现代安全管理措施为一体，涉及电子、机械、光学、计算机技术、通信技术、生物技术等诸多学科和技术[5-6]。

为了让光电专业的新生从入学一开始就对本专业的性质、内容等有一定的了解，熟悉系统和工程的概念，锻炼动手能力，提高创新和实践意识，让其对专业产生兴趣，开设了光电专业的认知实验课程，而门禁系统综合实验是其中一门重要的实验课程。

1 实验课程开设的目的与原则

门禁系统综合实验课程的目的是培养学生的综合能力，既培养学生学习知识的能力，也培养学生运用知识解决实践问题的能力。实验需要学生利用所提供的控制器和其他元器件进行相关的外围电路设计以及软件编程控制，达到有人通过时，系统能发出报警的目的。入校新生具有良好的学习知识的体验，但缺乏将知识转变为实际工程应用的经历。为此开设了门禁系统综合实验，旨在锻炼学生的实践能力，提升其将理论用于解决实际问题的能力，同时也锻炼学生的沟通能力和团队协作能力[7-9]。然而，由于大一新生所掌握的专业理论知识较少，动手能力也不强，所以综合实验的难度不能太大，否则学生面对复杂的综合实验，会感到无从下手，或因难而退，产生对专业的畏难情绪，达不到预期的效果。为此，门禁系统综合实验的难度应适中，系统软件应易于学习和应用，外围电路也不能过于复杂，验收标准不能过高，完成的难度也不能太大。

2 实验器材的组成与使用

确定了综合实验课程开设的目的和原则后，需要确定实验器材。选择器材的重要标准之一是必须保证实验的安全性，即实验安全是第一位的[10]，器材最好能够在低电压条件下安全运行，防止出现电方面的事故，所提供的器材必须保障实验的每一个环节能够安全完成，此外，这些器材通过培训后，学生容易掌握和使用。为此，经过反复挑选，最后确定了Arduino微控制器以及相应的外围模块。

Arduino 是由意大利Ivrea 一家高科技设计学校的教师和学生与西班牙籍的芯片工程师一起设计的一款即便宜又好用的微控制器[11]。Arduino UNO 是使用最广泛的控制器，其主要优点是：Arduino 语言是基于Wiring 语言开发的，并不需要学生掌握太多的单片机和编程知识，只需要简单的学习就可以进行开发。对初学者而言，极易掌握，同时又有足够的灵活性，便于开发和使用。其次，Arduino 的硬件原理图、电路图、IDE 软件、核心库等是开源的，在开源协议范围内可以任意修改原始设计及相应代码。此外，Arduino控制器还具有体积小、功能强等优点。Arduino 还有众多的外围模块可以直接使用。因此，Arduino 控制器以及外围模块非常适合作为门禁报警系统综合实验的器材。

实验采用一个工具盒将所用元器件装在里面，做好编号并附上元器件的清单。每个工具盒内主要的元器件包括Arduino UNO 控制器开发板、人体感应模块、蜂鸣器模块、红外发射模块、红外接收模块、USB 连接线、面包板、带三孔的连接线、杜邦线等。将学生分为2～4 人一组（由于该实验涉及电，从安全考虑，最好 2 人以上为好），每组发放装有实验所需的元器件工具盒一个，可以带回去自己保管和使用，等实验验收完成后，再由教师清点收回。

3 实验教学的开展与实施

3.1 综合实验要求

门禁系统以防范损失、预防犯罪为主要目的，因此必须具有极高的可靠性。一套门禁系统在其运行的大多数时间内可能没有警情发生，无须报警的。但是，如果在这极小的概率内出现报警系统失灵，常常意味着安全事件的降临。因此，门禁安防系统在设计、施工、使用等各个阶段，必须实施可靠性设计和管理，以保证系统的可靠性。门禁及安防系统是用于保护人员和财产安全的，因此系统自身必须安全可靠，同时保证其设备、系统运行的安全和操作者的安全[12]。

门禁系统综合实验的验收标准：①基本要求。学生所设计的门禁报警系统必须实现在人非法通过时能够及时报警，如果能够满足这一标准即为验收合格。②分级验收。设计评分标准根据功能实现程度、灵敏度、外观设计美观程度等分为普通验收和进阶验收。普通验收为在现场验收时能够满足基本要求，之后撰写实验报告即可，分数由现场验收和实验报告两部分组成，总分不超过85 分。进阶验收为在满足基本要求的条件下，还有扩展部分。首先进行现场验收，验收合格后，需要把本组的设计采用PPT 形式向教师和学生讲解清楚，并要求撰写实验报告。学生实验课程分数由现场验收、PPT 演讲和实验报告三部分组成，85 分以上为合格。

3.2 综合实验教学内容

综合实验教学主要由培训、示范、学生实践、教师答疑等部分组成。在实验前，对学生进行4 学时的培训与示范。培训内容包括实验目的、实验要求、实验内容、验收标准、注意事项等。此外，教师应着重讲解Arduino UNO 开发板的组成、特点、功能和外围模块的功能、特点以及使用等，同时介绍Arduino 语言以及程序结构等，并将Arduino UNO 开发板以及外围电路的连接、程序软件的安装、编写等拍成视频，一边操作一边讲解播放。此外，建立这门实验课程的微信群，将所有资料发在群文件里，以便学生参考和学习。

在实验课后，学生还可以通过上传的参考资料进行学习，观看视频，以便达到能够独立进行基本实验操作的目的。在操作过程中如有疑问，可在群里咨询，教师和学生都可进行解答。如群里无法解决，可约时间到实验室进行讨论。这样，所有的学生都能达到基本技能验收的条件。有的学生在掌握基本技能后就开始讨论研究进阶的内容，这样，能进一步激发学生的实验兴趣，进行自我学习和实践，达到自我创新的目的。在进阶过程中如遇到问题，可以咨询教师或其他学生进行解答。

3.3 综合实验教学效果

综合实验教学对学生进行了培训、示范、实践、解惑、展示、演讲以及撰写等环节的训练。从学生对这门综合实验课程的收获与感想来看，多数学生确实受益颇多。有的学生把做好的门禁系统安装在寝室门上， 有的学生模拟了开门、关门系统以及采用刷卡方式进入和计数方式进行统计等。总之，在门禁系统综合实验教学过程中，学生学到了许多新的知识，如机械设计、电学、光学、软件、硬件等，扩展了学生的知识面，提高了学生的自学能力，锻炼了其动手能力和解决问题的能力，体验到了实验操作的严谨性、精密性，也提升了团队合作能力，明白了理论和实践的差别，懂得了实践的重要性，激发了学生的求知兴趣和对未来学科的探索和思考，达到了综合实验课程设计目的。

4 结语

门禁系统综合实验涉及光、机、电等多学科，以训练学生工程实践能力和培养学生对学科兴趣为目的，面向光电专业低年级新生开设的综合实验课程。选择了简单易学的Arduino 控制器开发板以及相应的外围模块元器件作为基本的实验器材。通过对学生进行循序渐进的培训、实践、解惑等环节的训练，使学生的自主学习能力得到了提升，工程实践能力得到了锻炼，学生的学习兴趣也得到了激发。